EP4634613A1 - Dispositif d'inspection d'élément fileté et méthode d'inspection correspondante - Google Patents

Dispositif d'inspection d'élément fileté et méthode d'inspection correspondante

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Publication number
EP4634613A1
EP4634613A1 EP23833633.3A EP23833633A EP4634613A1 EP 4634613 A1 EP4634613 A1 EP 4634613A1 EP 23833633 A EP23833633 A EP 23833633A EP 4634613 A1 EP4634613 A1 EP 4634613A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
threaded element
laser sensor
line laser
measuring device
profile
Prior art date
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Pending
Application number
EP23833633.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Didier David
Sébastien PETIT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vallourec Oil and Gas France SAS
Original Assignee
Vallourec Oil and Gas France SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vallourec Oil and Gas France SAS filed Critical Vallourec Oil and Gas France SAS
Publication of EP4634613A1 publication Critical patent/EP4634613A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2425—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures of screw-threads
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2504—Calibration devices

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for measuring the thread shape for a threaded element, more particularly for measuring the thread shape of elements such as a threaded joint for an oil well conduit, storage carbon dioxide or hydrogen, or geothermal wells.
  • the thread form measurement determines a thread form profile in the axial screwing direction of the threaded member, and the thread elements are measured on the basis of the thread form profile.
  • the thread elements include the following:
  • a threaded area which is a surface portion of a threaded element axially delimited by a first thread end on one side and on the other side by a second end of this thread.
  • Threaded elements have threaded ends. These threaded ends are complementary allowing the connection of a male tubular component (“Pin” in English) and a female tubular component (“Box” in English) between them. So there is a male threaded end and a female threaded end.
  • a threaded zone may include so-called perfect threads or so-called imperfect threads, an imperfect thread having a section corresponding to an incomplete section of a corresponding perfect thread, for example over a reduced height.
  • a thread is a set of threads of a part, male or female, generated by a geometric profile moving along a surface following a helical movement.
  • a thread comprises, seen in a sectional representation, a succession of teeth or threads regularly spaced from each other.
  • teeth means a niche portion i extending from the base of an engagement flank to the base of a load-bearing flank, said engagement flank and said load-bearing flank being joined by a crest.
  • a male or female thread portion seen in cross section has a straight segment connecting mid-heights of flanks of threads carrying consecutive threads, said segment forming an angle with the axis of the threaded end. If this angle is zero, the thread portion is said to be cylindrical. If the angle is non-zero, the thread portion is said to be conical.
  • the angle can be expressed in degrees, radiants, percentage.
  • the thread angle is equal to twice the angle formed between said straight line segment and the axis of the threaded end, or the thread angle is equal to the angle at the apex of the cone formed by the segment right in generator rotating around the axis of the threaded end.
  • a thread can be cylindrical, that is to say have a generatrix parallel to the axis of the threaded end, or a thread can be conical, that is to say have a generatrix forming an angle non-zero relative to the axis of the threaded end.
  • a net includes two sides, engagement side and carrying side, a base of the net and a top of the net.
  • stabbing flanks are the thread surfaces capable of coming into contact when the threads of the male and female threaded components are engaged into each other. They therefore correspond to the sides directed towards the free end of the tubular component considered.
  • load-bearing flanks are the thread surfaces capable of coming into contact when a threaded joint is subjected to axial tensile forces. They therefore correspond to the sides directed towards the side opposite the free end of the tubular component considered.
  • [11]Positive or negative angle(s) By convention, in the context of the invention, the anti-trigonometric direction will be used which is also the clockwise direction. So, a positive angle goes clockwise and conversely a negative angle goes counterclockwise.
  • the machining of a tube to produce its thread implies the existence of a thread pitch.
  • the notion of thread pitch must be understood in the light of the ISO 5408: 2009 standard which concerns the definition of threads.
  • the thread pitch corresponds to the axial distance, over a revolution, between two successive points such that two successive vertices or two bottoms of a thread, said distance being named “P”.
  • the thread pitch must be controlled in order to allow screwing between the male thread and the corresponding female thread for the assembly and use of a joint.
  • the device according to the invention is transportable.
  • the invention is based on the use of two optical sensors having distinct sensing directions, and the possibility of combining the measurement data from the two sensors to reconstruct a measured thread shape, thus making it possible to reduce cycle times controls, and digitize a profile which can then be validated.
  • the invention provides a device for measuring the dimensions of a threaded element comprising a frame, the frame comprising a first line laser sensor having a first optical measurement direction and a second line laser sensor having a second optical measurement direction, said second optical measurement direction forming a non-zero angle with the first optical measurement direction in a plane containing the first optical measurement direction, the first line laser sensor and the second line laser sensor being movably mounted on the chassis and having at least one trajectory measurement allowing acquisition of geometric data of the threaded element passing through a calibration template and being able to pass through a portion of the threaded element, the device comprising an encoder arranged to determine a position of the first line laser sensors and a position of the second line laser sensor along a main axis and electronics arranged to construct a first partial profile from the first line laser sensor and a second partial profile from the second line laser sensor, the electronics being arranged to construct a complete profile from the first partial profile and the second partial profile as a function of the respective positions of the first
  • such a device may include one or more of the following characteristics.
  • the angle is between 30° and 70°, preferably between 40° and 60°. This makes it possible to measure a wide variety of hook type or dovetail type threads.
  • the first line laser sensor and the second line laser sensor are mounted in translation on the chassis.
  • the trajectory of the sensors relative to the part to be measured is simple and it is possible to compensate for an error in misalignment of the positioning of the threaded element relative to the device.
  • the calibration template comprises surfaces delimiting predetermined reference lengths. This makes it possible to provide dimensional benchmarks for the calibration process during a measurement operation.
  • the calibration template comprises a bearing face arranged to contact an end face of the threaded element to be measured. This makes it possible to minimize positioning errors of the threaded element relative to the device and to simplify the calibration procedure.
  • the device comprises a positioning wedge arranged to be able to rest on the thread peaks of the threaded element. This makes it possible to simplify and make the positioning of the device on the threaded element more reliable.
  • the positioning wedge comprises a frustoconical insertion surface having a frustoconical insertion surface axis and being able to be in contact with the thread peaks of the threaded element. This makes it possible to adapt the positioning block and the device to threaded elements having a conical thread.
  • the support face is perpendicular to the axis of the frustoconical insertion surface of the positioning block.
  • the calibration template comprises an engagement flank reference surface, a bearing flank reference surface, an axial length reference surface, a radial length reference surface.
  • the calibration template comprises a longitudinal reference extension defining a reference length Dr and the electronics are arranged to determine a measurement trajectory correction factor linked to the trajectory of the first and second line laser sensors. This makes it possible to correct the measured values as a function of an offset error in the positioning of the threaded element relative to the device.
  • the electronics are arranged to compare a digital thread profile comprising minimum and maximum dimensions with the complete profile and the electronics are configured to generate a result of compliance of the net. This makes it possible to give the user a result of conformity of the threaded element.
  • the electronics are arranged to make dimensional measurements of surfaces of the end of the threaded element.
  • the invention is also a method of measuring the dimensions of one end of a threaded element comprising the steps of:
  • Figure 1 is a perspective view of the device in a measurement situation on a threaded element.
  • Figure 2 is a perspective view of a calibration template according to the invention.
  • Figure 3 is a perspective view of a positioning wedge according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic sectional view of an alternative embodiment of the device of Figure 1 in the context of a female type threaded element.
  • the measuring device 1 as visible in Figure 1 comprises a chassis 2 comprising a table 10, substantially rectangular on which is mounted on a first side a handle 13 which an operator can operate to push the table towards a threaded element 6 or to pull the device from the threaded element 6.
  • the table 10 comprises on a side opposite the first side at least one jack 12 connected to a positioning block 8.
  • the device comprises two cylinders 12.
  • the positioning wedge 8 isolated in Figure 3 comprises an insertion surface 9 arranged to be in contact with the thread vertices of a threaded element 6.
  • the threaded element comprises a thread male presenting a conicity. Consequently, the positioning wedge 8 comprises a frustoconical insertion surface 9 with a conicity corresponding substantially to the conicity of the thread, the frustoconical insertion surface 9 being turned inwardly so as to contact the tops of the male threads of the threaded element 6 which are turned outwards.
  • This frustoconical insertion surface 9 makes it possible to align the device with the axis of the thread.
  • the frustoconical insertion surface 9 comprises a larger internal diameter and a smaller internal diameter such that the frustoconical insertion surface 9 is positioned on perfect threads of the threaded element 6. In fact, the insertion surface frustoconical 9 must rest on perfect threads of the threaded element 6.
  • the positioning wedge 8 is dimensioned as a function of the connection model whose thread it is desired to control, more particularly the conicity of the thread of the model of the connection.
  • a positioning wedge adapted to a conical connection for example of the VAM ⁇ TOP 7-5/8 type, another positioning wedge adapted to a conical connection of the VAM ⁇ 21 5-3/4 type, or even a connection cylindrical API type, etc. . .A positioning block is therefore interchangeable with another wedge on the device according to the invention.
  • a positioning wedge can also be adapted to several types of connections.
  • the positioning wedge 8 is truncated so as to leave the threads visible in an orientation corresponding to a measurement trajectory by dimensional sensors 3,4.
  • the positioning wedge 8 allows the placement of the end of the threaded element 6, and of a calibration template 5, in a depth of field of the dimensional sensors such as the depth of field of the lasers of the dimensional sensors is constant, whatever the diameter of the threaded element.
  • This depth of field can vary between 5 and 200 mm, but is preferably between 5 and 50 mm. This avoids changing the positioning of the dimensional sensors in the direction (z) perpendicular to the table.
  • the device of Figure 1 comprises two cylinders or sliding axes 12 connecting the positioning block 8 to the table 10.
  • the positioning wedge 8 When an operator positions the device according to the invention on one end of a threaded element 6, the positioning wedge 8 is brought around a thread of the threaded element 6, then the operator pushes the device towards the threaded element 6 using the handle 13, which facilitates gripping by the operator and the positioning gestures and installation of the device.
  • the positioning wedge 8 is pushed onto the thread, until the insertion surface 9, coming to rest on the thread vertices of the thread of the threaded element 6, opposes any additional axial movement of the positioning wedge 8.
  • the operator can continue to push the device towards the threaded element 6 and the cylinders or sliding axes 12 so that the positioning cone is positioned on the perfect threads and until a support face 52 of the calibration template 5 contacts the end face of the threaded element 6.
  • the calibration template 5 is visible in detail in Figure 3.
  • the calibration template 5 is a part specifically machined with great precision, certain dimensions of which are perfectly known and entered in an electronic memory of the device 1.
  • the calibration template 5 comprises a transverse portion 51 ensuring the positioning and fixing of the calibration template 5 on the table 10 of a on the other hand, and, on the other hand, of which a flat front surface or support face 52 is intended to come into contact with an end of threaded element 6.
  • the calibration template 5 comprises a longitudinal portion 53 having reference lengths whose dimensions are perfectly known. The reference lengths are delimited by surfaces.
  • These lengths are therefore predetermined and serve as references for the device, and are stored in a memory of the processing electronics of the device.
  • These reference surfaces are arranged to allow the device to correct the data recorded by the dimensional sensors 3, 4 which are dependent on the positions and orientations of said dimensional sensors 3, 4 relative to the threaded element 6 and the calibration template 5.
  • the corrections are determined from measurements carried out by the dimensional sensors 3,4 on the calibration template 5 and the comparison of the measurements carried out with the values of the predetermined reference lengths. Correction factors can be calculated from this comparison.
  • the data acquisition is corrected for the measurements carried out on the threading of the threaded element 5 with the correction factors thus calculated.
  • the calibration template 5 is positioned on the measurement trajectory of the dimensional sensors 3, 4 so as to allow calibration at each measurement operation on a threaded element 6.
  • the calibration template 5 comprises a bearing face 52 on its transverse portion 51 arranged to come into contact with an end face of the threaded element 6.
  • the bearing face 52 is perpendicular to the axis of the frustoconical insertion surface 9 of the positioning wedge 8.
  • the support of the support face 52 on the end face of the threaded element 6 makes it possible to lock the device on the threaded element 6 to carry out a measurement, and to define an orthogonal dimensional mark.
  • the calibration template 5 comprises an engagement flank reference surface 54, a bearing flank reference surface 55, a reference surface of axial length 56, a reference surface of radial length 57.
  • the engagement flank reference surface 54 has an orientation substantially identical to the orientation of a flank surface engagement of a thread of the threaded element 6 to be measured, in a similar manner, the reference surface of the supporting flank 55 has an orientation substantially identical to the orientation of a surface of the carrying flank of a thread of the threaded element 6. This makes it possible to improve the measurement precision on the thread flanks.
  • the axial length reference surface 56 is delimited by two surfaces detached from the axial length reference surface.
  • the length of the axial length reference surface 56 corresponds to a reference axial distance, and makes it possible to improve the precision of measuring the tops and bottoms of threads.
  • the radial length reference surface is materialized by recesses perpendicular to the axial length reference surface 56.
  • the longitudinal portion 53 is located in the extension of the truncated portion of the positioning block 8. In other words, the longitudinal portion 53 is on the measurement trajectory of the dimensional sensors 3,4.
  • the device also includes a longitudinal reference extension 11 on the calibration template 5.
  • This longitudinal reference extension 11 is of known dimension, so as to define a reference distance Dr, delimited on the one hand by a surface of the longitudinal reference extension 11, for example the surface facing the transverse portion 51, and a surface of the transverse portion 51. This makes it possible to identify, through the measurements carried out, a deviation in the trajectory of the dimensional sensors 3,4 relative to a theoretical trajectory parallel to the axis of the threaded element.
  • the positioning wedge 8 and the calibration template 5 make it possible to position the device in a repeatable manner on the threaded element 6 and also in such a way as to make the main axis of the threaded element 6 coincide as closely as possible with a measuring axis of the device according to the invention, that is to say with a minimum deviation of the measuring axis relative to the main axis of the threaded element 6.
  • the two dimensional sensors 3, 4 are identical and are line laser sensors or laser profiteers.
  • a prototype was built using GOCATOR 2510 sensors from LMI Technologies.
  • the two dimensional sensors 3, 4 are mounted on a support arranged to allow position and orientation adjustment on your three axes.
  • your dimensional sensors 3, 4 are mounted in translation so as to move in a direction corresponding substantially to the direction main or main axis (x), so that the respective beams of the two laser profilers can travel through all the areas of interest of the end of the threaded element, namely the thread or threads, any functional surfaces and the other parts of the threaded end, or even the entire end of the threaded element.
  • the displacement along the translation axis of the dimensional sensors 3, 4 is measured by a linear encoder.
  • Line laser sensors emit a laser beam centered on a viewing direction, so that the projection of the laser beam forms a line on a surface to be measured.
  • the laser measurement is synchronized with the measurement of an optical encoder determining a longitudinal position along the main axis (x). This makes it possible to reconstruct a complete profile from two partial profiles traced digitized by the line laser sensors.
  • the distances of the points of the projected line are evaluated by an internal camera-type image capture device, the laser beam being emitted in a pulsed manner and the time of flight of the light rays being measured so as to determine a distance to the dimensional sensor .
  • the aiming direction is approximately perpendicular to the face of the laser emitter.
  • measuring mark O, x, y, z
  • the main axis (x) is substantially aligned with a main axis x' of the thread of the threaded element 6 to measure. This alignment is obtained physically by placing the positioning wedge 8 on the threaded element.
  • the secondary axis (y) is in a plane parallel to an upper surface of the calibration template 5 and the tertiary axis (z) is perpendicular to an upper surface of the calibration template 5.
  • the respective sighting directions of each of the respective sensors or optical measuring directions form, in a plane containing the main axis and the tertiary axis (O, x, z), an angle A between the first direction of aiming and the second aiming direction which is between 30° and 70°.
  • angle A is between 40° and 60°.
  • the respective sighting directions can form a non-zero offset angle B in a plane containing the main axis (x) and the secondary axis (y).
  • This angle is as close to zero as possible, but it is naturally imperfect in reality.
  • this offset angle is compensated by a calibration step in the measurement process which involves carrying out a measurement step on the calibration template.
  • the movement of the dimensional sensors 3, 4 does not take place strictly parallel to the main axis x' of the threaded element to be measured, but in a direction which can present a first angle of deviation a with respect to the first axis (x) in the plane (O, x, y), a second angle of deviation P relative to the first axis (x) in the plane (O, x, z), and a third angle of deviation y relative at the third axis (z) in the plane (O, y, z), the first step of measurements on the calibration template 5 makes it possible to determine correction factors depending on the first angle of deviation a, the second angle of deviation P and of the third angle of deviation y.
  • the next step comprises the acquisition of a first set of measurements by the first dimensional sensor 4 and a second set of measurements by the second dimensional sensor 5.
  • the set of measurements concerns the threading of the element threaded, but may relate to other functional surfaces of the threaded element, such as a stop surface, a sealing surface. These surfaces must in fact respect very precise dimensional criteria because they have critical functionalities of ensuring an assembly torque and tightness to liquids and/or gases in cooperation with a corresponding surface of a corresponding threaded element.
  • the electronics are arranged to receive the measurements from the first dimensional sensor 3 and from a linear encoder whose output is representative of the positioning of the first dimensional sensor 3, the electronics are arranged to reconstruct a first partial profile of the threaded element investigated. similarly, the electronics are arranged to receive the measurements of the second dimensional sensor 4 and the linear encoder whose output is representative of the positioning of the second dimensional sensor 4, the electronics are arranged to reconstruct a second partial profile of the threaded element investigated.
  • the first and second dimensional sensors 3, 4 carry out measurements on the threaded element and also on the calibration template 5.
  • the electronics are arranged to record the measurements carried out on the calibration template 5 and determine from the measurements carried out the values measured on the surfaces delimiting the reference lengths, including the reference values reference surface of engagement flank 54, a reference surface of carrying flank 55, a surface reference surface of axial length 56, a reference surface of radial length 57, and to determine correction factors by comparison between the measurements made on these surfaces and the values of the actual lengths of the reference surfaces.
  • the first and second dimensional sensors 3, 4 also carry out measurements on the longitudinal reference extension 11, and determine a measured reference length value Dr’.
  • the electronics are arranged to determine a measurement trajectory correction factor linked to the trajectory of the first and second dimensional sensors 3,4. This factor makes it possible to compensate for a difference between the main axis of the threaded element and the axis of movement of the dimensional sensors 3, 4.
  • the movement of the dimensional sensors 3, 4 can be done at variable speed, for example at a first movement speed smaller to make a denser acquisition of measurement points, and at a second movement speed greater than the first speed of movement where it is not necessary to have many surface measurement points. It is advantageous to have a slower speed and therefore more measurement points on functional surfaces such as abutment or sealing surface, or on surfaces which are very inclined relative to the main axis (x).
  • the electronics are arranged to construct a complete profile of the threaded element by joining the first partial profile and the second partial profile after processing the measured data taking into account the correction factors.
  • the electronics are arranged to superimpose the complete profile with a digitized profile comprising two profile plots, a maximum profile and a minimum profile delimiting a profile envelope.
  • the electronics are arranged to display a compliant result to the user when the full profile is located entirely within the envelope, or to display a non-compliant result if the full profile is not entirely within the envelope. inside the envelope.
  • the electronics are arranged to allow comparison of the complete profile with reference geometric shapes.
  • the first partial profile may include measurement points on the thread tops, thread bottom and one of the flanks, for example the engagement flanks, due to the orientation of the first line laser sensor by relative to the thread
  • the second partial profile may include measurement points on the thread tops, thread bottom, and the other side, and with respect to the example given, the load-bearing sides.
  • the first partial profile and the second partial profile can have measurement points on common parts of the measured surfaces, and measurement points on distinct parts of the measured surfaces, due to the distinct and opposite orientations of the two laser sensors. lines.
  • the meeting of the first partial profile and the second partial profile will therefore reveal sets of complementary points and sets of overlapping points.
  • the complete profile as a combination of the two partial profiles corrected after data processing includes measurement points on all surfaces investigated.
  • the device according to the invention makes it possible to implement a method of measuring the dimensions of one end of a threaded element 1, which comprises the following successive steps.
  • the device 1 is brought onto the threaded element 6 and is mounted there, so that the positioning wedge 8 is placed on the thread, more precisely on the thread vertices of the thread of the threaded element 6, and more precisely on perfect thread tops.
  • This installation is done by axial introduction of the positioning wedge 8 around the end of the threaded element 6 and until the positioning wedge 8 opposes any additional movement, then the chassis is pushed by an operator using the handle 13 towards the end of the threaded element, so that the jacks 12 are compressed and until the face stop 52 of the calibration template 5 contacts an end face of the threaded element 6.
  • the measuring device 1 is positioned so as to minimize offsets between the axis of the threaded element 6 and a main axis x of a mark attached to the measuring device.
  • a data acquisition phase is launched, during which the dimensional sensors 3,4 will travel a rectilinear trajectory passing through the measuring template and the surfaces to be measured of the threaded element 6, comprising at least one thread, and optionally a stop surface, and optionally still a sealing surface.
  • a data acquisition step is carried out on the measurement template 5. Then, a step of determining corrective measurement factors is carried out by comparison between the predetermined values corresponding to the actual values of the dimensions of certain surfaces of the measurement template. calibration 5 with the values measured on said surfaces by the dimensional sensors 3,4.
  • a data acquisition step is carried out on the surface(s) to be measured of the threaded element, comprising at least one thread, and optionally a stop surface, and optionally also a sealing surface, so as to obtain a first partial profile resulting from the measurements carried out by the first dimensional sensor 3 and the linear encoder and to obtain a second partial profile resulting from the measurements carried out by the second dimensional sensor 4.
  • the complete profile obtained is then compared to a digital profile representing an envelope of minimum and maximum dimensions of the thread profile, and a thread conformity result is obtained, positive if the complete profile is entirely contained within the envelope defined by the digitized profile, or negative otherwise.
  • Figure 4 schematically illustrates a variant embodiment of the device of Figure 1 in the context of a female type threaded element, that is to say having a thread on an internal surface of the threaded element.
  • elements identical to or fulfilling the same function as those described above with reference to Figures 1 to 3 bear the same reference.
  • the measuring device 1 is similar to the measuring device 1 described above with an orientation of the dimensional sensors 3, 4 adapted to emit a laser beam in the direction of the thread of the threaded element 6, and optionally of a stop surface, and optionally also of a sealing surface.
  • large threaded element 6 is meant a threaded element allowing the insertion of dimensional sensors 3, 4 into said threaded element 6 with a minimum distance between the dimensional sensors 3, 4 and the surface(s) to be inspected of the threaded element 6.
  • the distance between the dimensional sensors 3, 4 and the surface(s) to be inspected must be greater than the start of the measurement range of said dimensional sensors 3, 4.
  • the measuring device 1 comprises mirrors 17 (see Figure 4) to direct the laser beams emitted by the dimensional sensors 3, 4 in the direction of the surface or surfaces to be inspected on the threaded element 6.
  • the dimensional sensors 3, 4 are then mounted on the frame 2 to emit their laser beam in the direction of the mirrors
  • said mirrors 17 being mounted movable and orientable on the measuring device 1 to redirect the laser beams.
  • the measuring device 1 comprises a means for moving and guiding the mirrors 17, in the embodiment illustrated in Figure 4 a guide rail
  • This means of movement and guidance is inserted into the threaded element 6 during the positioning of the measuring device 1 on the threaded element 6, typically, and, analogously to the positioning of the measuring device described above in look at Figures 1 to 3, when the frustoconical insertion surface of the positioning wedge and the support face are in support respectively against the top of the perfect threads and the end face of the threaded element 6.
  • the mirrors 17 are mounted on the guide rail 18 so as to be able to move along said guide rail 18, for example by means of an ad hoc motor.
  • the position of the mirrors 17 is further controlled in a manner analogous to the position control of the dimensional sensors 3, 4 of Figures 1 to 3, for example by means of a linear encoder.
  • the dimensional sensors 3, 4 are oriented so as to emit a laser beam in the direction of a respective mirror 17. This laser beam is then reflected by said mirror 17 to impact the surface(s) to be inspected, for example the template, the thread of the threaded element 6, a stop surface and/or a sealing surface.
  • the mirrors 17 also have a configurable orientation, for example by means of an adjustable mirror support or a pivot connection between the mirror 17 and the guide rail 18.
  • the mirrors 17 are suitable to move and change orientation along the guide rail 18. This change of orientation could also be obtained by replacing the mirror 17 on the guide rail 18 with a mirror having the desired orientation.
  • the orientation of the mirrors 17 makes it possible to direct the laser beams emitted by the dimensional sensors according to the desired orientation.
  • the adjustment of the orientation of the dimensional sensors 3, 4 in the embodiment illustrated in Figure 1 is here replaced by the adjustment of the orientation of the mirrors 17, this orientation of the mirrors 17 defining the optical measurement directions dimensional sensors. It is thus possible, thanks to the respective orientation of the mirrors 17 and the dimensional sensors 3, 4, to define optical measurement directions forming an angle between the first direction of sight and the second direction of sight, for example an angle comprised between 30° and 70°, and preferably between 40° and 60°.
  • the orientation of mirrors 17 is fixed, for example at 45° relative to the longitudinal axis of the threaded element 6, but the orientation of the dimensional sensors 3, 4 can be modified to impact the mirrors 17 with different angles, thus making it possible to orient the corresponding aiming directions.
  • the mirrors 17 can take different shapes, for example flat, multi-sided, curved mirrors 17 or other to allow different orientation of the aiming directions. It is for example possible to have two mirrors 17, one for each dimensional sensor 3, 4, or on the contrary a single mirror 17 with a particular shape making it possible to orient the direction of sight according to the orientation of the dimensional sensor 3 or 4.
  • the calibration template 5 is positioned on the measurement trajectory of the dimensional sensors 3, 4 defined by the mirrors 17 so as to allow calibration at each measurement operation on a threaded element 6.

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Abstract

Dispositif de mesure dimensionnelle d'un élément fileté (1) comprenant un premier capteur à laser lignes (3) et un deuxième capteur à laser lignes (4) ayant une deuxième direction optique de mesure, ladite deuxième direction optique de mesure formant an angle A non nul avec la première direction optique de mesure dans un plan contenant la première direction optique de mesure, le premier capteur à laser ligne (3) et le deuxième capteur à laser ligne (4) étant montés de manière mobile sur un châssis (2) et ayant au moins une trajectoire de mesure permettant de réaliser des acquisitions de données géométriques de l'élément fileté (1) passant par un gabarit de calibration (5) et pouvant passer par une portion de l'élément fileté (1), le dispositif comprenant une électronique arrangée pour construire un profil complet à partir un premier profil partiel à partir du premier capteur à laser ligne (3) et un deuxième profil partiel à partir du deuxième capteur à laser ligne (4) et en fonction d'au moins une mesure effectuée sur le gabarit de calibration (5).

Description

Description
Titre de l’invention :
DISPOSITIF D'INSPECTION D'ÉLÉMENT FILETÉ ET MÉTHODE D'INSPECTION CORRESPONDANTE
Domaine technique
[1]La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mesure de forme de filetage pour un élément fileté, plus particulièrement pour la mesure de forme de filets des éléments tels qu'un joint fileté pour une conduit de puits de pétrole, de stockage de dioxyde de carbone ou d'hydrogène, ou de puits de géothermie.
[2]La mesure de la forme de filetage détermine un profil de forme de filetage dans la direction axiale de vissage de l’élément fileté, et les éléments de filetage sont mesurés sur la base du profil de forme de filetage. Dans le cas, par exemple, d'un filetage de conduit de puits de pétrole, les éléments de filetage comprennent les éléments suivants :
Une zone filetée, qui est une portion de surface d’un élément fileté axialement délimitée par une première extrémité de filetage d’un côté et de l’autre côté par une deuxième extrémité de ce filetage.
[3]Les éléments filetés sont dotés d’extrémités filetées. Ces extrémités filetées sont complémentaires permettant le raccordement d’un composant tubulaires mâle (« Pin » en anglais) et d’un composant tubulaire femelle (« Box » en anglais) entre eux. Il y a donc une extrémité filetée mâle et une extrémité filetée femelle. Une zone filetée peut comprendre des filets dits parfaits ou des filets dits imparfaits, un filet imparfait ayant une section correspondant à une section incomplète d’un filet parfait correspondant, par exemple sur une hauteur réduite.
[4] Un filetage est un ensemble des filets d'une pièce, mâle ou femelle, engendré par un profil géométrique se déplaçant le long d'une surface suivant un mouvement hélicoïdal.
[5]Un filetage comprend, vu sur une représentation en coupe, une succession de dents ou filets espacés régulièrement les uns des autres. Ainsi, sur une représentation en coupe, on entend par « dent » une portion en créneau i s’étendant depuis la base d’un flanc d’engagement jusqu’à la base d’un flanc porteur, ledit flanc d’engagement et ledit flanc porteur étant joints par une crête.
[6] Au sein d’une extrémité filetée, une portion de filetage mâle ou femelle vue en coupe transversale présente un segment de droite reliant des mi-hauteurs de flancs de filets porteurs de filets consécutifs ledit segment formant un angle avec l’axe de l’extrémité filetée. Si cet angle est nul, la portion de filetage est dite cylindrique. Si l’angle est non nul, la portion de filetage est dite conique. L’angle peut être exprimé en degrés, radiants, pourcentage. L’angle de filetage est égal à deux fois l’angle formé entre ledit segment de droite et l’axe de l’extrémité filetée, ou encore l’angle de filetage est égal à l’angle au sommet du cône formé par le segment de droite en génératrice tournant autour de l’axe de l’extrémité filetée.
[7]Un filetage peut être cylindrique, c’est-à-dire avoir une génératrice parallèle à l’axe de l’extrémité filetée, ou un filetage peut être conique, c’est-à-dire avoir une génératrice formant un angle non nul par rapport à l’axe de l’extrémité filetée.
[8]Un filet comprend deux flancs, flanc d’engagement et flanc porteur, un fond de filet et un sommet de filet.
[9]Les flancs d’engagement (ou « stabbing flank » en anglais) sont les surfaces de filets aptes à entrer en contact lorsque l'on engage les filetages des composants filetés mâles et femelles l'un dans l'autre. Ils correspondent par conséquent aux flancs dirigés vers l'extrémité libre du composant tubulaire considéré.
[10]Les flancs porteurs (ou « loading flank » en anglais) sont les surfaces de filets aptes à entrer en contact lorsqu’un joint fileté est soumis à des efforts axiaux de traction. Ils correspondent par conséquent aux flancs dirigés du côté opposé à l'extrémité libre du composant tubulaire considéré.
[11]Angle(s) positif ou négatif : Par convention, dans le cadre de l’invention, il sera utilisé le sens anti-trigonométrique qui est aussi le sens horaire. Ainsi, un angle positif va dans le sens horaire et inversement un angle négatif va dans le sens antihoraire.
[12]L’usinage d’un tube pour produire son filetage implique l’existence d’un pas de filetage. La notion de pas de filetage doit être comprise à la lumière de la norme ISO 5408 : 2009 qui porte sur la définition des filetages. Le pas de filetage correspond à la distance axiale, sur un tour, entre deux points successifs tels que deux sommets ou deux fonds successifs d’un filetage, ladite distance étant nommé « P ». Le pas de filetage doit être maitrisé afin de permettre un vissage entre le filetage mâle et le filetage femelle correspondant pour l’assemblage et l’utilisation d’un joint.
Arrière-plan technologique
[13]On connaît des techniques conventionnelles de mesure de la forme du filetage d’éléments filetés, reposant par exemple sur un éclairage tangentiel du filetage et la captation d’image par un capteur optique faisant face à la source de lumière d façon à générer une image bidimensionnelle. Il existe des variantes sur l’orientation de l’émission de lumière, l’utilisation de miroirs, mais ces méthodes présentent l’inconvénient de manquer de précision et de n’être adaptées qu’à un nombre limité de types de connexions. En effet, dès qu’un flanc de filet présente un angle négatif, il est impossible de projeter son profil complet, rendant la mesure directe impossible.
[14]De plus, même dans un cas où le filetage est irradié avec une lumière parallèle dans la direction tangentielle de l'hélice du filetage, le trajet lumineux parallèle est linéaire et non hélicoïdal, et par conséquent, le profil de forme de fil capturé par la lumière parallèle est différent du profil réel qui lui est hélicoïdal, avec l’interférence des surfaces adjacentes à une tranche visée.
[15]De plus, le dispositif selon l’invention est transportable.
Résumé
[16]L’invention repose sur l’utilisation de deux capteurs optiques ayant des directions de captation distinctes, et la possibilité de réunir les données de mesures des deux capteurs pour reconstituer une forme de filetage mesuré, permettant ainsi de réduire les temps de cycle de contrôles, et de digitaliser un profil qui peut alors être validé.
[17]Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un dispositif de mesure dimensionnelle d’un élément fileté comprenant un châssis, le châssis comprenant un premier capteur à laser lignes ayant une première direction optique de mesure et un deuxième capteur à laser lignes ayant une deuxième direction optique de mesure, ladite deuxième direction optique de mesure formant an angle non nul avec la première direction optique de mesure dans un plan contenant la première direction optique de mesure, le premier capteur à laser ligne et le deuxième capteur à laser ligne étant montés de manière mobile sur le châssis et ayant au moins une trajectoire de mesure permettant de réaliser des acquisitions de données géométriques de l’élément fileté passant par un gabarit de calibration et pouvant passer par une portion de l’élément fileté, le dispositif comprenant un encodeur arrangé pour déterminer une position du premier capteurs à laser ligne et une position du deuxième capteurs à laser lignes selon un axe principal et une électronique arrangée pour construire un premier profil partiel à partir du premier capteur à laser ligne et un deuxième profil partiel à partir du deuxième capteur à laser ligne, l’électronique étant arrangée pour construire un profil complet à partir du premier profil partiel et du deuxième profil partiel en fonction des positions respectives du premier capteur à laser ligne et du deuxième capteur à laser ligne et en fonction d’au moins une mesure effectuée sur le gabarit de calibration.
[ 18]I1 est ainsi possible de proposer un dispositif permettant de tester et mesurer une extrémité d’un élément fileté avec une grande précision, tout en pouvant réaliser des mesures dans des environnements peu contrôlés, le positionnement de l’élément fileté par rapport au dispositif étant maitrisé mécaniquement et les sources d’erreurs liées au positionnement étant compensées pour chaque opération de mesure par des moyens de calibration intégrés à l’opération.
[19] Selon des modes de réalisation, un tel dispositif peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
[20]Selon un mode de réalisation, l’angle est compris entre 30° et 70°, préférentiellement entre 40° et 60°. Ceci permet de mesurer une grande variété de filets de profil type à crochet ou de profil type en queue d’aronde.
[21] Selon un mode de réalisation, le premier capteur à laser ligne et le deuxième capteur à laser ligne sont montés en translation sur le châssis. Ainsi, la trajectoire des capteurs relativement à la pièce à mesurer est simple et il est possible de compenser une erreur de désaxage de positionnement de l’élément fileté par rapport au dispositif.
[22] Selon un mode de réalisation, le gabarit de calibration comprend des surfaces délimitant des longueurs prédéterminées de référence. Ceci permet de fournir des repères dimensionnels pour le processus de calibration lors d’une opération de mesure.
[23] Selon un mode de réalisation, le gabarit de calibration comprend une face d’appui arrangée pour contacter une face d’extrémité de l’élément fileté à mesurer. Ceci permet de minimiser les erreurs de positionnement de l’élément fileté par rapport au dispositif et de simplifier la procédure de calibration.
[24] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une cale de positionnement agencée pour pouvoir être en appui sur des sommets de filets de l’élément fileté. Ceci permet de simplifier et de fiabiliser le positionnement du dispositif sur l’élément fileté.
[25] Selon un mode de réalisation, la cale de positionnement comprend une surface d’insertion tronconique présentant un axe de surface d’insertion tronconique et étant apte à être en contact avec les sommets de filets de l’élément fileté. Ceci permet d’adapter la cale de positionnement et le dispositif à des éléments filetés possédant un filetage conique.
[26]Selon un aspect, la face d’appui est perpendiculaire à l’axe de la surface d’insertion tronconique de la cale de positionnement.
[27] Selon un mode de réalisation, le gabarit de calibration comprend une surface de référence de flanc d'engagement, une surface de référence de flanc porteur, une surface de référence de longueur axiale, une surface de référence de longueur radiale. Ceci permet de définir des références de longueurs pour la calibration qui correspondent aux caractéristiques nominales de l’élément fileté à mesurer, et d’améliorer la précision de mesure.
[28] Selon un mode de réalisation, le gabarit de calibration comprend une extension de référence longitudinale définissant une longueur de référence Dr et l’électronique est arrangée pour déterminer un facteur de correction de trajectoire de mesure lié à la trajectoire du premier et du deuxième capteurs à laser lignes. Ceci permet de corriger les valeurs mesurées en fonction d’une erreur de désaxage de positionnement de l’élément fileté par rapport au dispositif.
[29]Selon un mode de réalisation, l’électronique est arrangée pour comparer un profil digital de filet comprenant des cotes minimales et maximales avec le profil complet et l’électronique est configurée pour générer un résultat de conformité du filet. Ceci permet de donner à l’utilisateur un résultat de conformité de l’élément fileté.
[30]Selon un aspect, l’électronique est arrangée pour réaliser des mesures dimensionnelles de surfaces de l’extrémité de l’élément fileté.
[31]L’invention est aussi une méthode de mesure dimensionnelle d’une extrémité d’un élément fileté comprenant les étapes de :
- monter sur l’élément fileté le dispositif de mesure tel que ci-dessus
- effectuer une acquisition de données avec le premier capteur à laser ligne et le deuxième capteur à laser ligne sur le gabarit de mesure
- déterminer des facteurs correctifs de mesure et les stocker dans une mémoire de l’électronique
-effectuer une deuxième acquisition de données sur l’extrémité de l’élément fileté avec le premier capteur à laser ligne et le deuxième capteur à laser ligne
- générer un premier profil partiel à partir d’un premier jeu de données issu de la deuxième acquisition de données par le premier capteur à laser lignes
- générer un deuxième profil partiel à partir d’un deuxième jeu de données issu de la deuxième acquisition de données par le deuxième capteur à laser lignes
- générer un profil complet à partir du premier profil partiel, du deuxième profil partiel et des facteurs correctifs de mesure.
[32]La méthode permet de valider et mesurer un élément fileté quant à ses caractéristiques dimensionnelles avec des opérations simples et avec une très grande précision.
Brève description des figures
[33]L’ invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
[fig. 1] La figure 1 est une vue en perspective du dispositif en situation de mesure sur un élément fileté.
[fig. 2] La figure 2 est une vue en perspective d’un gabarit de calibration selon l’invention. [fig. 3] La figure 3 est une vue en perspective d’une cale de positionnement selon l’invention.
[fig. 4] La figure 4 est une vue en coupe schématique d’une variante de réalisation du dispositif de la figure 1 dans le cadre d’un élément fileté de type femelle.
Description des modes de réalisation
[34]Le dispositif de mesure 1 selon l’invention tel que visible en figure 1 comprend un châssis 2 comprenant une table 10, sensiblement rectangulaire sur laquelle est montée sur un premier côté une poignée 13 qu’un opérateur peut opérer pour pousser la table vers un élément fileté 6 ou bien pour tirer le dispositif de l’élément fileté 6. La table 10 comprend sur un côté opposé au premier côté au moins un vérin 12 relié à une cale de positionnement 8. Sur le mode de réalisation illustré, le dispositif comprend deux vérins 12.
[35]La cale de positionnement 8 isolée en figure 3 comprend une surface d’insertion 9 arrangée pour être en contact avec des sommets de filets d’un élément fileté 6. Dans le mode de réalisation illustré, l’élément fileté comprend un filetage mâle présentant une conicité. En conséquence, la cale de positionnement 8 comprend une surface d’insertion tronconique 9 avec une conicité correspondant sensiblement à la conicité du filetage, la surface d’insertion tronconique 9 étant tournée vers l’intérieur de façon à contacter les sommets des filets mâles de l’élément fileté 6 qui sont tournés vers l’extérieur. Cette surface d’insertion tronconique 9 permet d’aligner le dispositif avec l’axe du filetage. La surface d’insertion tronconique 9 comprend un plus grand diamètre intérieur et un plus petit diamètre intérieur tels que la surface d’insertion tronconique 9 vient se positionner sur des filets parfaits de l’élément fileté 6. En effet, la surface d’insertion tronconique 9 doit reposer sur des filets parfaits de l’élément fileté 6. On comprendra que la cale de positionnement 8 est dimensionnée en fonction du modèle de connexion dont il est souhaité de contrôler le filetage, plus particulièrement de la conicité du filetage du modèle de la connexion. Il existe donc une cale de positionnement adaptée à une connexion conique par exemple de type VAM© TOP 7-5/8, une autre cale de positionnement adaptée à une connexion conique de type VAM© 21 5-3/4, ou encore une connexion cylindrique de type API, etc. . .Une cale de positionnement est donc interchangeable avec une autre cale sur le dispositif selon l’invention. Une cale de positionnement peut aussi être adaptée à plusieurs types de connexions.
[36]La cale de positionnement 8 est tronquée de manière à laisser apparents les filetages sur une orientation correspondant à une trajectoire de mesure par des capteurs dimensionnels 3,4.
[37]La cale de positionnement 8 permet le placement de l’extrémité de l’élément fileté 6, et d’un gabarit de calibration 5, dans une profondeur de champ des capteurs dimensionnels tel que la profondeur de champs des lasers des capteurs dimensionnels est constante, quel que soit le diamètre de l’élément fileté. Cette profondeur de champ peut varier entre 5 et 200 mm, mais est préférentiellement entre 5 et 50 mm. Ceci permet d’éviter de changer le positionnement des capteurs dimensionnels dans la direction (z) perpendiculaire à la table.
[38] Le dispositif de la figure 1 comprend deux vérins ou axes de coulissement 12 reliant la cale de positionnement 8 à la table 10.
[39]Lorsqu’un opérateur positionne le dispositif selon l’invention sur une extrémité d’un élément fileté 6, la cale de positionnement 8 est amenée autour d’un filetage de l’élément fileté 6, puis l’opérateur pousse le dispositif vers l’élément fileté 6 à l’aide de la poignée 13, qui facilite la préhension par l’opérateur et les gestes de positionnement et mise en place du dispositif. La cale de positionnement 8 est poussée sur le filetage, jusqu’à ce que la surface d’insertion 9, venant s’appuyer sur des sommets de filet du filetage de l’élément fileté 6, s’oppose à tout mouvement axial supplémentaire de la cale de positionnement 8. L’opérateur peut continuer de pousser le dispositif vers l’élément fileté 6 et les vérins ou axes de coulissement 12 de manière que le cône de positionnement se positionne sur les filetages parfaits et jusqu’à ce qu’une face d’appui 52 du gabarit de calibration 5 contacte la face d’extrémité de l’élément fileté 6.
[40]Plus précisément, le contact entre l’extrémité de l’élément fileté 6 et l’extrémité de la table 10 est établi entre l’extrémité de l’élément fileté 6 et un gabarit de calibration 5 monté sur la table 10. Le gabarit de calibration 5 est visible en détail sur la figure 3. Le gabarit de calibration 5 est une pièce spécifiquement usinée avec grande précision dont certaines dimensions sont parfaitement connues et renseignées dans une mémoire d’une électronique du dispositif 1. Le gabarit de calibration 5 comprend une portion transversale 51 assurant le positionnement et la fixation du gabarit de calibration 5 sur la table 10 d’une part, et, d’autre part, dont une surface frontale plane ou face d’appui 52 est destinée à venir en contact avec une extrémité d’élément fileté 6. Le gabarit de calibration 5 comprend une portion longitudinale 53 présentant des longueurs de référence dont les dimensions sont parfaitement connues. Les longueurs de référence sont délimitées par des surfaces. Ces longueurs sont donc prédéterminées et servent de références pour le dispositif, et sont renseignées dans une mémoire d’une électronique de traitement du dispositif. Ces surfaces de référence sont agencées pour permettre au dispositif de corriger les données relevées par les capteurs dimensionnels 3, 4 qui sont dépendantes des positionnements et orientations desdits capteurs dimensionnels 3, 4 relativement à l’élément fileté 6 et au gabarit de calibration 5. Les corrections sont déterminées à partir de mesures réalisées par les capteurs dimensionnels 3,4 sur le gabarit de calibration 5 et la comparaison des mesures réalisées aux valeurs des longueurs prédéterminées de référence. Des facteurs de correction peuvent être calculés à partir de cette comparaison. Ainsi, à partir de premières mesures effectuées sur le gabarit de calibration 5, l’acquisition de données est corrigée pour les mesures effectuées sur le filetage de l’élément fileté 5 avec les facteurs de correction ainsi calculés.
[41]Le gabarit de calibration 5 est positionné sur la trajectoire de mesure des capteurs dimensionnels 3, 4 de manière à permettre une calibration à chaque opération de mesure sur un élément fileté 6.
[42]Le gabarit de calibration 5 comprend une face d’appui 52 sur sa portion transversale 51 arrangée pour venir en contact avec une face d’extrémité de l’élément fileté 6. La face d’appui 52 est perpendiculaire à l’axe de la surface d’insertion tronconique 9 de la cale de positionnement 8. En combinaison avec l’action de la cale de positionnement 8 sur le filetage, l’appui de la face d’appui 52 sur la face d’extrémité de l’élément fileté 6 permet de verrouiller le dispositif sur l’élément fileté 6 pour effectuer une mesure, et de définir un repère dimensionnel orthogonal.
[43]En particulier, le gabarit de calibration 5 comprend une surface de référence de flanc d'engagement 54, une surface de référence de flanc porteur 55, une surface de référence de longueur axiale 56, une surface de référence de longueur radiale 57. Ainsi la surface de référence de flanc d’engagement 54 présente une orientation sensiblement identique à l’orientation d’une surface de flanc d’engagement d’un filet de l’élément fileté 6 à mesurer, de manière analogue, la surface de référence de flanc porteur 55 présente une orientation sensiblement identique à l’orientation d’une surface de flanc porteur d’un filet de l’élément fileté 6. Ceci permet d’améliorer la précision de mesure sur les flancs de filets. La surface de référence de longueur axiale 56 est délimitée par deux surfaces décrochant de la surface de référence de longueur axiale. La longueur de la surface de référence de longueur axiale 56 correspond à une distance axiale de référence, et permet d’améliorer la précision de mesure des sommets et fonds de filets. La surface de référence de longueur radiale est matérialisée par des évidements perpendiculaires à la surface de référence de longueur axiale 56.
[44]La portion longitudinale 53 est située dans le prolongement de la portion tronquée de la cale de positionnement 8. Autrement dit, la portion longitudinale 53 est sur la trajectoire de mesure des capteurs dimensionnels 3,4.
[45]Le dispositif comprend également une extension de référence longitudinale 11 sur le gabarit de calibration 5. Cette extension de référence longitudinale 11 est de dimension connue, de façon à définir une distance de référence Dr, délimitée d’une part par une surface de l’extension de référence longitudinale 11, par exemple la surface faisant face à la portion transversale 51, et une surface de la portion transversale 51. Ceci permet d’identifier au travers des mesures effectuées une déviation de la trajectoire des capteurs dimensionnels 3,4 par rapport à une trajectoire théorique parallèle à l’axe de l’élément fileté.
[46]La cale de positionnement 8 et le gabarit de calibration 5 permettent de positionner de manière répétable le dispositif sur l’élément fileté 6 et aussi de manière à faire coïncider le plus possible l’axe principal de l’élément fileté 6 avec un axe de mesure du dispositif selon l’invention, c’est-à-dire avec une déviation minimale de l’axe de mesure par rapport à l’axe principal de l’élément fileté 6.
[47]Dans le mode de réalisation de la figure 1, les deux capteurs dimensionnels 3, 4 sont identiques et sont des capteurs à laser lignes ou profiteurs lasers. Un prototype a été construit en utilisant des capteurs GOCATOR 2510 de la société LMI Technologies. Les deux capteurs dimensionnels 3, 4 sont montés sur un support agencé pour permettre un réglage de position et d’orientation sur tes trois axes. Aussi, tes capteurs dimensionnels 3, 4 sont montés en translation de façon à se mouvoir selon une direction correspondant sensiblement à la direction principale ou axe principal (x), afin que les faisceaux respectifs des deux profil eurs lasers puissent parcourir l’ensemble des zones d’intérêt de l’extrémité de l’élément fileté, à savoir le filetage ou les filetages, les éventuelles surfaces fonctionnelles et les autres parties de l’extrémité filetée, voire l’intégralité de l’extrémité de l’élément fileté. Le déplacement selon l’axe de translation des capteurs dimensionnels 3, 4 est mesuré par un codeur linéaire.
[48]Les capteurs à laser ligne émettent un faisceau laser centré sur une direction de visée, de sorte que la projection du faisceau laser forme une ligne sur une surface à mesurer. La mesure du laser est synchronisée avec la mesure d’un codeur optique déterminant une position longitudinale selon l’axe principal (x). Ceci permet de reconstruire un profil complet à partir de deux profils partiels tracés digitalisés par les capteurs à laser ligne. Les distances des points de la ligne projetée sont évaluées par un dispositif interne de captation d’image de type caméras, le faisceau laser étant émis de manière pulsée et le temps de vol des rayons lumineux étant mesurés de manière à déterminer une distance au capteur dimensionnel. La direction de visée est sensiblement perpendiculaire à la face de l’émetteur laser.
[49]On définit un repère orthogonal attaché au dispositif de mesure et appelé repère de mesure (O, x, y, z) l’axe principal (x) est sensiblement aligné sur un axe principal x’ du filetage de l’élément fileté 6 à mesurer. Cet alignement est obtenu physiquement par la mise en place de la cale de positionnement 8 sur l’élément fileté. L’axe secondaire (y) est dans un plan parallèle à une surface supérieure du gabarit de calibration 5 et l’axe tertiaire (z) est perpendiculaire à une surface supérieure du gabarit de calibration 5.
[50]Les directions de visée respectives de chacun des capteurs ou directions optiques de mesure respectives, forment, dans un plan contenant l’axe principal et l’axe tertiaire (O, x, z), un angle A entre la première direction de visée et la deuxième direction de visée qui est compris entre 30° et 70°. Préférentiellement, l’angle A est compris entre 40° et 60°. Avec un tel angle entre les deux directions, il est possible de mesurer les données géométriques des flancs de filets, que ces flancs soient à angle négatif ou à angle positif. En particulier, il est possible d’effectuer des mesures sur des filets de profil type à crochet ou de profil type en queue d’aronde. Il est aussi possible d’effectuer des mesures sur des filetages à pas variables, par ailleurs souvent associés à des profils type en queue d’aronde. [51]Les directions de visée respectives de chacun des capteurs dimensionnels sont en opposition l’une par rapport à l’autre, c’est-à-dire que la direction de visée du premier capteur est opposée à la direction de visée du deuxième capteur en projection sur l’axe principal (x).
[52] Les directions de visée respectives peuvent former un angle de désaxage B non nul dans un plan contenant l’axe principal (x) et l’axe secondaire (y). Cet angle est le plus proche de zéro possible, mais il est naturellement imparfait dans la réalité. Pour améliorer la précision de mesure, cet angle de désaxage est compensé par une étape de calibration dans le processus de mesure qui implique de réaliser une étape de mesure sur le gabarit de calibration.
[53]Par ailleurs, le déplacement des capteurs dimensionnels 3, 4 ne se fait pas rigoureusement parallèlement à l’axe principal x’ de l’élément fileté à mesurer, mais selon une direction pouvant présenter un premier angle de déviation a par rapport au premier axe (x) dans le plan (O, x, y), un deuxième angle de déviation P par rapport au premier axe (x) dans e plan (O, x, z), et un troisième angle de déviation y par rapport au troisième axe (z) dans le plan (O, y, z), la première étape de mesures sur le gabarit de calibration 5 permet de déterminer des facteurs de correction fonction du premier angle de déviation a, du deuxième angle de déviation P et du troisième angle de déviation y.
[54]L’ étape suivante comprend l’acquisition d’un premier jeu de mesures par le premier capteur dimensionnel 4 et d’un deuxième jeu de mesures par le deuxième capteur dimensionnel 5. Le jeu de mesure concerne le filetage de l’élément fileté, mais peut concerner d’autres surfaces fonctionnelles de l’élément fileté, telles qu’une surface de butée, une surfacé d’étanchéité. Ces surfaces doivent en effet respecter des critères dimensionnels très précis car elles ont des fonctionnalités critiques d’assurer un couple d’assemblage et une étanchéité aux liquides et/ou aux gaz en coopération avec une surface correspondante d’un élément fileté correspondant.
[55]Lorsqu’une mesure est effectuée par le dispositif de mesure dimensionnelle 1 sur un élément fileté, l’électronique est arrangée pour recevoir les mesures du premier capteur dimensionnel 3 et d’un encodeur linéaire dont la sortie est représentative du positionnement du premier capteur dimensionnel 3, l’électronique est arrangée pour reconstruire un premier profil partiel de l’élément fileté investigué. de façon analogue, l’électronique est arrangée pour recevoir les mesures du deuxième capteur dimensionnel 4 et de l’encodeur linéaire dont la sortie est représentative du positionnement du deuxième capteur dimensionnel 4, l’électronique est arrangée pour reconstruire un deuxième profil partiel de l’élément fileté investigué.
[56]Lors de la mesure sur l’élément fileté, les premier et deuxième capteurs dimensionnels 3, 4 effectuent des mesures sur l’élément fileté et également sur le gabarit de calibration 5. L’électronique est arrangée pour relever les mesures effectuées sur le gabarit de calibration 5 et déterminer à partir des mesures effectuées des valeurs mesurées sur les surfaces délimitant les longueurs de référence, dont aux valeurs de référence surface de référence de flanc d'engagement 54, une surface de référence de flanc porteur 55, une surface de référence de longueur axiale 56, une surface de référence de longueur radiale 57, et de déterminer des facteurs de correction par comparaison entre les mesures effectuées sur ces surfaces et les valeurs des longueurs réelles des surfaces de référence.
[57]Lors de la mesure sur l’élément fileté, les premier et deuxième capteurs dimensionnels 3, 4 effectuent des mesures également sur l’extension de référence longitudinale 11, et détermine une valeur de longueur de référence mesurée Dr’. Par comparaison de valeur de longueur de référence mesurée Dr’ avec la longueur de référence Dr, l’électronique est arrangée pour déterminer un facteur de correction de trajectoire de mesure lié à la trajectoire du premier et du deuxième capteurs dimensionnels 3,4. Ce facteur permet de compenser un écart entre l’axe principal de l’élément fileté et l’axe de déplacement des capteurs dimensionnels 3, 4.
[58]Le déplacement des capteurs dimensionnels 3, 4 peut se faire à vitesse variable, par exemple à une première vitesse de déplacement plus petite pour faire une acquisition plus dense de points de mesure, et à une deuxième vitesse de déplacement plus grande que la première vitesse de déplacement là où il n’est pas nécessaire d’avoir beaucoup de points de mesures de la surface. Il est intéressant d’avoir une vitesse plus lente et donc plus de points de mesures sur des surfaces fonctionnelles telles que surface de butée ou d’étanchéité, ou sur des surfaces qui sont très inclinées par rapport à l’axe principal (x). [59]L’ électronique est arrangée pour construire un profil complet de l’élément fileté par la réunion du premier profil partiel et du deuxième profil partiel après traitement des données mesurées prenant en compte les facteurs de correction.
[60]L’ électronique est arrangée pour superposer le profil complet avec un profil digitalisé comprenant deux tracés de profil, un profil maximal et un profil minimal délimitant une enveloppe de profil. L’électronique est arrangée pour afficher un résultat conforme à l’utilisateur lorsque le profil complet est situé entièrement à l’intérieur de l’enveloppe, ou d’afficher un résultat non conforme si le profil complet n’est pas entièrement à l’intérieur de l’enveloppe.
[61]L’ électronique est arrangée pour permettre la comparaison du profil complet avec des formes géométriques de référence.
[62]Le premier profil partiel peut comprendre des points de mesure sur les sommets de filet, fond de filet et l’un des flancs, par exemple les flancs d’engagement, du fait de l’orientation du premier capteur à laser lignes par rapport au filetage, tandis que le deuxième profil partiel peut comprendre des points de mesure sur les sommets de filet, fond de filet, et l’autre flanc, et par rapport à l’exemple donné, des flancs porteurs. Ainsi, le premier profil partiel et le deuxième profil partiel peuvent avoir des points de mesure sur des parties communes des surfaces mesurées, et des points de mesure sur des parties distinctes des surfaces mesurées, du fait des orientations distinctes et opposées des deux capteurs à laser lignes. La réunion du premier profil partiel et du deuxième profil partiel fera donc apparaître des ensembles de points complémentaires et des ensembles de points se superposant. Le profil complet en tant que réunion des deux profils partiels corrigés après traitement des données comprend des points de mesure sur toutes les surfaces investiguées.
[63]Ainsi, le dispositif selon l’invention permet de mettre en œuvre une méthode de mesure dimensionnelle d’une extrémité d’une élément fileté 1, qui comprend les étapes successives suivantes.
[64]Dans un premier temps, le dispositif 1 est amené sur l’élément fileté 6 et y est monté, de manière que la cale de positionnement 8 soit mise en place sur le filetage, plus précisément sur des sommets de filets du filetage de l’élément fileté 6, et plus précisément sur des sommets de filets parfaits. Cette mise en place se fait par introduction axiale de la cale de positionnement 8 autour de l’extrémité de l’élément fileté 6 et jusqu’à ce que la cale de positionnement 8 s’oppose à tout déplacement supplémentaire, puis le châssis est poussé par un opérateur à l’aide de la pognée 13 vers l’extrémité de l’élément fileté, de manière que les vérins 12 se compriment et jusqu’à ce que la face de butée 52 du gabarit de calibration 5 contacte une face d’extrémité de l’élément fileté 6. Ainsi le dispositif de mesure 1 est positionné de manière à minimiser des décalages entre l’axe de l’élément fileté 6 et un axe principal x d’un repère attaché au dispositif de mesure.
[65]Dans un deuxième temps, une phase d’acquisitions de données est lancée, pendant laquelle les capteurs dimensionnels 3,4 vont parcourir une trajectoire rectiligne passant par le gabarit de mesure et les surfaces à mesurer de l’élément fileté 6, comprenant au moins un filetage, et optionnellement une surface de butée, et optionnellement encore une surface d’étanchéité.
[66]Une étape d’acquisition de données est réalisée sur le gabarit de mesure 5. Ensuite, une étape de détermination de facteurs correctifs de mesure est réalisée par comparaison entre les valeurs prédéterminées correspondant aux valeurs réelles des dimensions de certaines surfaces du gabarit de calibration 5 avec les valeurs mesurées sur lesdites surfaces par les capteurs dimensionnels 3,4.
[67]Une étape d’acquisition de données est réalisée sur le ou les surfaces à mesurer de l’élément fileté, comprenant au moins un filetage, et optionnellement une surface de butée, et optionnellement encore une surface d’étanchéité, de manière à obtenir un premier profil partiel issu des mesures effectuées par le premier capteur dimensionnel 3 et du codeur linéaire et à obtenir un deuxième profil partiel issu des mesures effectuées par le deuxième capteur dimensionnel 4.
[68] Les profils partiels sont ensuite réunis, après corrections appliquées avec les facteurs correctifs de mesure, en un profil complet ou profil complet.
[69]Le profil complet peut ensuite être soumis à une opération de filtrage ou lissage.
[70]Le profil complet obtenu est ensuite comparé à un profil digital représentant une enveloppe de cotes minimales et maximales du profil de filetage, et un résultat de conformité du filetage est obtenu, positif si le profil complet est entièrement contenu à l’intérieur de l’enveloppe définie par le profil digitalisé, ou négatif dans le cas contraire.
[71] Enfin, des mesures dimensionnelles peuvent être réalisées sur le profil complet, telles que, de manière non limitative : détermination de rayons de courbure (par inscription de cercles), mesure linéaire directe entre points du profil. [72]La figure 4 illustre schématiquement une variante de réalisation du dispositif de la figure 1 dans le cadre d’un élément fileté de type femelle, c’est-à-dire présentant un filetage sur une surface interne de l’élément fileté. Sur cette figure 4, les éléments identiques ou remplissant la même fonction que ceux décrits ci- dessus en regard des figures 1 à 3 portent la même référence.
[73]Dans le cadre d’un élément fileté 6 de type femelle de grande dimension (non illustré), le dispositif de mesure 1 est analogue au dispositif de mesure 1 décrit ci-dessus avec une orientation des capteurs dimensionnels 3, 4 adaptée pour émettre un faisceau laser en direction du filetage de l’élément fileté 6, et optionnellement d’une surface de butée, et optionnellement encore d’une surface d’étanchéité. On entend par élément fileté 6 de grande dimension un élément fileté permettant l’insertion des capteurs dimensionnels 3, 4 dans ledit élément fileté 6 avec une distance minimale entre les capteurs dimensionnels 3, 4 et la ou les surfaces à inspecter de l’élément fileté 6. Typiquement, la distance entre les capteur dimensionnels 3, 4 et la ou les surfaces à inspecter doit être supérieure au début de plage de mesure desdits capteur dimensionnels 3, 4.
[74] Cependant, si le diamètre interne de l’élément fileté 6 ne permet pas l’insertion des capteurs dimensionnels 3, 4 avec une distance entre lesdits capteurs dimensionnels 3, 4 et la ou les surfaces à inspecter supérieure à la distance de début de plage de mesure desdits capteurs dimensionnels 3, 4, le dispositif de mesure 1 comporte des miroirs 17 (voir figure 4) pour orienter les faisceaux laser émis par les capteurs dimensionnels 3, 4 en direction de la ou des surfaces à inspecter sur l’élément fileté 6. Les capteurs dimensionnels 3, 4 sont alors montés sur le châssis 2 pour émettre leur faisceau laser en direction des miroirs
17, lesdits miroirs 17 étant montés mobiles et orientables sur le dispositif de mesure 1 pour rediriger les faisceaux laser.
[75]Le dispositif de mesure 1 comporte un moyen de déplacement et de guidage des miroirs 17, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 4 un rail de guidage
18. Ce moyen de déplacement et de guidage est inséré dans l’élément fileté 6 lors du positionnement du dispositif de mesure 1 sur l’élément fileté 6, typiquement, et, de façon analogue au positionnement du dispositif de mesure décrit ci-dessus en regard des figures 1 à 3, lorsque la surface d’insertion tronconique de la cale de positionnement et la face d’appui sont en appui respectivement contre le sommet des filets parfaits et la face d’extrémité de l’élément fileté 6.
[76]Les miroirs 17 sont montés sur le rail de guidage 18 de manière à pouvoir se déplacer le long dudit rail de guidage 18, par exemple au moyen d’un moteur ad hoc. La position des miroirs 17 est en outre contrôlée de manière analogue au contrôle de position des capteurs dimensionnels 3, 4 des figures 1 à 3, par exemple au moyen d’un encodeur linéaire. Les capteurs dimensionnels 3, 4 sont orientés de manière à émettre un faisceau laser en direction d’un miroir 17 respectif. Ce faisceau laser est alors réfléchi par ledit miroir 17 pour impacter la ou les surfaces à inspecter, par exemple le gabarit, le filetage de l’élément fileté 6, une surface de butée et/ou une surface d’étanchéité.
[77] Avantageusement, les miroirs 17 présentent en outre une orientation configurable, par exemple au moyen d’un support de miroir orientable ou d’une liaison pivot entre le miroir 17 et le rail de guidage 18. Ainsi, les miroirs 17 sont aptes à se déplacer et changer d’orientation le long du rail de guidage 18. Ce changement d’orientation pourrait également être obtenu par un remplacement du miroir 17 sur le rail de guidage 18 par un miroir présentant l’orientation désirée.
[78]L’ orientation des miroirs 17 permet de diriger les faisceaux laser émis par les capteurs dimensionnels selon l’orientation désirée. Autrement dit, le réglage de l’orientation des capteurs dimensionnels 3, 4 dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1 est ici remplacé par le réglage de l’orientation des miroirs 17, cette orientation des miroirs 17 définissant les directions optiques de mesure des capteurs dimensionnels. Il est ainsi possible, grâce à l’orientation respective des miroirs 17 et des capteurs dimensionnels 3, 4, de définir des directions optiques de mesures formant un angle entre la première direction de visée et la deuxième direction de visée, par exemple un angle compris entre 30° et 70°, et préférentiellement entre 40° et 60°.
[79]Dans un autre mode de réalisation, l’orientation de miroirs 17 est fixe, par exemple à 45° par rapport à l’axe longitudinal de l’élément fileté 6, mais l’orientation des capteurs dimensionnels 3, 4 peut être modifiée pour impacter les miroirs 17 avec des angles différents, permettant ainsi d’orienter les directions de visée correspondantes. Par ailleurs, les miroirs 17 peuvent prendre différentes formes, par exemple des miroirs 17 plats, à plusieurs faces, incurvés ou autre pour permettre différentes orientation des directions de visée. Il est par exemple possible d’avoir deux miroirs 17, un pour chaque capteur dimensionnel 3, 4, ou au contraire un seul miroir 17 avec une forme particulière permettant d’orienter la direction de visée en fonction de l’orientation du capteur dimensionnel 3 ou 4.
[80]De façon analogue au mode de réalisation illustré sur la figure 1, le gabarit de calibration 5 est positionné sur la trajectoire de mesure des capteurs dimensionnels 3, 4 définie par les miroirs 17 de manière à permettre une calibration à chaque opération de mesure sur un élément fileté 6.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif de mesure dimensionnelle d’un élément fileté 1 comprenant un châssis 2, le châssis 2 comprenant un premier capteur à laser lignes
3 ayant une première direction optique de mesure et un deuxième capteur à laser lignes 4 ayant une deuxième direction optique de mesure, ladite deuxième direction optique de mesure formant an angle A non nul avec la première direction optique de mesure dans un plan contenant la première direction optique de mesure, le premier capteur à laser ligne 3 et le deuxième capteur à laser ligne 4 étant montés de manière mobile sur le châssis 2 et ayant au moins une trajectoire de mesure permettant de réaliser des acquisitions de données géométriques de l’élément fileté 1 passant par un gabarit de calibration 5 et pouvant passer par une portion de l’élément fileté 1, le dispositif comprenant un encodeur arrangé pour déterminer une position du premier capteurs à laser ligne 3 et une position du deuxième capteurs à laser lignes 4 selon un axe principal (x) et une électronique arrangée pour construire un premier profil partiel à partir du premier capteur à laser ligne 3 et un deuxième profil partiel à partir du deuxième capteur à laser ligne 4, l’électronique étant arrangée pour construire un profil complet à partir du premier profil partiel et du deuxième profil partiel en fonction des positions respectives du premier capteur à laser ligne 3 et du deuxième capteur à laser ligne
4 et en fonction d’au moins une mesure effectuée sur le gabarit de calibration 5.
[Revendication 2] Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit angle A est compris entre 30° et 70°, préférentiellement entre 40° et 60°.
[Revendication 3] Dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le premier capteur à laser ligne 3 et le capteur à laser ligne 4 sont montés en translation sur le châssis 2.
[Revendication 4] Dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le gabarit de calibration 5 comprend des surfaces délimitant des longueurs prédéterminées de référence.
[Revendication 5] Dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le gabarit de calibration 5 comprend une face d’appui 52 arrangée pour contacter une face d’extrémité de l’élément fileté 6 à mesurer.
[Revendication 6] Dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 5 comprenant une cale de positionnement 8 agencée pour pouvoir être en appui sur des sommets de fdets de l’élément fileté 6.
[Revendication 7] Dispositif de mesure selon la revendication précédente dans lequel la cale de positionnement 8 comprend une surface d’insertion tronconique 9 présentant un axe de surface d’insertion tronconique et étant apte à être en contact avec les sommets de filets de l’élément fileté 6.
[Revendication 8] Dispositif de mesure selon la revendication 5 prise en combinaison avec la revendication 6 ou 7 dans lequel ladite face d’appui est perpendiculaire à l’axe de la surface d’insertion tronconique 9 de la cale de positionnement 8.
[Revendication 9] Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gabarit de calibration 5 comprend une surface de référence de flanc d'engagement 54, une surface de référence de flanc porteur 55, une surface de référence de longueur axiale 56, une surface de référence de longueur radiale 57.
[Revendication 10] Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gabarit de calibration 5 comprend une extension de référence longitudinale 11 définissant une longueur de référence Dr et l’électronique est arrangée pour déterminer un facteur de correction de trajectoire de mesure lié à la trajectoire du premier et du deuxième capteurs à laser lignes 3, 4.
[Revendication 11] Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes dans lequel l’électronique est arrangée pour comparer un profil digital de filet comprenant des cotes minimales et maximales avec le profil complet et l’électronique est configurée pour générer un résultat de conformité du filet.
[Revendication 12] Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes dans lequel l’électronique est arrangée pour réaliser des mesures dimensionnelles de surfaces de l’extrémité de l’élément fileté 1.
[Revendication 13] Méthode de mesure dimensionnelle d’une extrémité d’un élément fileté 1 comprenant les étapes de :
- monter sur l’élément fileté 1 le dispositif de mesure selon l’une des revendications précédentes
- effectuer une acquisition de données avec le premier capteur à laser ligne 3 et le deuxième capteur à laser ligne 4 sur le gabarit de mesure 5
- déterminer des facteurs correctifs de mesure et les stocker dans une mémoire de l’électronique
- effectuer une deuxième acquisition de données sur l’extrémité de l’élément fdeté 1 avec le premier capteur à laser ligne 3 et le deuxième capteur à laser ligne 4
- générer un premier profil partiel à partir d’un premier jeu de données issu de la deuxième acquisition de données par le premier capteur à laser lignes 3
- générer un deuxième profil partiel à partir d’un deuxième jeu de données issu de la deuxième acquisition de données par le deuxième capteur à laser lignes 4
- générer un profil complet à partir du premier profil partiel, du deuxième profil partiel et des facteurs correctifs de mesure.
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